FLNG 紧凑高效换热器的管嘴热膨胀补偿设计

唐胜波，沈小兵，李云山，张经纬

（惠生（南通）重工有限公司，江苏南通 226009）

0 引言

中国的浮式液化天然气装置（Floating Liquefied Natural Gas，FLNG）产业，经历了从无到有、从小到大的曲折过程。换热器是FLNG成套设备的关键部件，同时也是影响整个装置能耗的关键设备。LNG换热器需要在低温高压的环境中运行，其主要作用是将液化天然气加热或将天然气液化。但是由于热胀冷缩的物理特性，在换热器开始运行的过程中，会让换热器管嘴有较大的收缩位移[1]。

国内FLNG换热器研究与国外存在很大差距，大多还处在工程样机试验阶段。近几年来，江苏科技大学创新性地提出采用增材制造技术整体制备FLNG换热器，并已制作完成样机，工业化测试总体方案已获批，正在积极推进工业化测试。

本文通过线膨胀量计算FLNG换热器设备本体热胀冷缩的位移，通过各种位移补偿方式的优缺点分析，为FLNG换热器选取合理的管嘴收缩位移补偿措施。

1 FLN G 紧凑高效换热器基本结构

FLNG换热器管嘴呈十字交叉形式。LNG输入输出管嘴为长度方向，乙二醇输入输出方向为径向。膨胀量的计算按照LNG换热器最长的距离，即换热器长度方向来来计算冷收缩量。本文所选的换热器设备实验压力为20MPa，设备管嘴通径为DN50，设备材质选用316L不锈钢。整个换热器设备内核通过增材制造技术生成。FLNG紧凑高效换热器的基本机构如图1所示。

图1 FLNG 紧凑高效换热器

设备管嘴是设备与设备、设备与管道之间连接的桥梁。如果设备管嘴损坏，则必须要停止工厂运转，维护或更换设备。在设备的运行过程中采取有效的保护措施，可以合理延长设备的使用寿命。补偿膨胀量的方法有以下几种[2]。

1）使用管道膨胀弯。利用管道的柔性自然补偿来补偿管道的伸长量。膨胀弯可以减少热胀冷缩给管路带来的应力，延长管道寿命。然而，利用管道柔性补偿的缺点是：需要很大的空间（见图2）。

图2 膨胀弯示意图

2）使用膨胀节。膨胀节可对轴向、横向和角向位移进行吸收，用于吸收在管道及设备系统的加热位移、机械位移，可以吸收振动、降低噪音等。膨胀节便于安装，广泛应用于各种有应力的管路或者设备接口。膨胀节可以利用较小的空间吸收较大的位移。其缺点是：由于膨胀节的伸长，收缩结构，膨胀节一般很少应用于高压系统（见图3）。

图3 膨胀节示意图

3）使用滑动基座。将设备的基座设置为滑动形式，在有热位移的时候，可以通过设备的移动来补偿连接处的应力；在基座的位置开腰圆孔，可以使长度方向有位移，横向无位移。设备滑动可以对管嘴进行保护，防止管嘴损坏。其缺点是：对多方向都有管嘴的设备无法补偿其伸长量（见图4）。

图4 滑动基座示意图

4）用软管连接。金属软管具有优良的柔软性、耐蚀性、耐高温性和耐高压性，在管路中可对任何方向进行连接，用以温度补偿和吸收振动、降低噪声、改变介质输送方向、消除管道间或管道与设备间的机械位移等。其缺点是：金属软管占用的空间虽然比弯管小，但是比膨胀节大，在使用过程中占用了较大的空间（见图5）。

图5 软管示意图

2 LN G 换热器线膨胀量计算

线性膨胀是指物体受环境变化膨胀的曲线是线性的，即有规律地膨胀，一般指由于外界温度、压力（主要指温度）变化时，物体的线性尺寸随温度、压力（主要指温度）的变化率线性膨胀系数即：固体物质的温度每改变1℃时，其长度的变化和它在原温度时的长度之比[3]。

线膨胀量基本公式如下：

式中：x为膨胀量；α为膨胀系数；L为管段总长度；ΔT为最大温差。

图1所示的FLNG换热器，材质为316L不锈钢的，换热器长度方向长度（包括管嘴）为1 000 mm。LNG换热器设计温度为−196～70 ℃，管嘴通径为DN50。LNG换热器设计压力为20 MPa。

由于316L不锈钢属于奥氏体不锈钢。查阅表1可得：316L不锈钢的膨胀系数α为14.67×10−6。按照线膨胀量的公式，计算出该换热器的膨胀量为3.872 88 mm。

表1 不同温度下钢材的平均线膨胀系数

续表1 ：

3 结果及分析

1）管道膨胀弯吸收膨胀量需要很大的空间，如果在设备管嘴使用管道膨胀弯会增加设备重量，管道膨胀弯会占用很大空间。由于船舶行业对空间要求较高，管道膨胀弯不适用于寸土寸金的船舶空间，故排除使用管道膨胀弯的补偿膨胀量方法。

2）膨胀节虽然适用范围广、占用空间小，但是在选择过程中一般倾向应用于压力较低的系统，系统压力一般不超过6 MPa。虽然膨胀节的轴向位移、径向位移和角位移补偿好，但是很难做到20 MPa的设计压力。故排除使用膨胀节的补偿膨胀量方法。

3）滑动形式需要管嘴在设备的一侧，这样就不会影响另一个方向的线性膨胀长度。本文所示的换热器管嘴在不同方向，故滑动基座形式也被排除。

4）金属软管具有优良的柔软性、耐蚀性、耐高温性、耐低温性和耐高压性，在管路中可对任何方向进行连接，可以补偿和吸收轴向位移，径向位移以及角位移。故在本项目中，金属的软管连接形式为最优的连接方式。

金属软管的长度计算如图6所示。

图6 金属软管的长度结构

当θ≤45°时：

当θ＞45°时：

式中：L为金属软管长度，mm；RJ(Rd)为金属软管静态（或动态）弯曲半径，mm；γ为金属软管径向位移量，mm；θ为金属软管弯曲角度，(°)；d为金属软管外径，mm；l为金属软管接头长度，mm。

管道为DN50，外径为OD60.3 mm，弯曲半径Rj（Rd）为管外径的5倍（301.5 mm），l金属软管接头长度为150 mm，长度方向位移为4 mm。由于角度较小，金属软管的角度设定为1°。由于角度小于45°，按照式（2），项目所需软管的最短长度L＝431.119 mm，由此可知：本项目所选软管不小于432 mm。

4 结论

FLNG紧凑高效换热器宜选用软管连接补偿热胀冷缩的位移，软管长度不小于432mm。以下为笔者对该行业的几点建议：

1）我国对于设备材料选型还有待研究，需要寻找能耐低温、耐高压，对LNG气体无污染、不被LNG腐蚀且膨胀系数小的材料，以减小线膨胀对设备的影响。

2）需要加大对大尺度LNG设备补偿件的研究，尽快找到替代金属软管吸收补偿的材料。这样可以减小补偿件的空间，有利于管道的综合布置。